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DISPDSITIF DIVISEUR DES RAYONS LUMINEUX'.
On constate dans diverses branches de l'optique, en particulier ' dans la photographie et la télévision en couleur, la présence simultanée de plusieurs images, distinctes dans l'espace, du même champ de l'objet, chacu- ne de ces images représentant une gamme spectrale donnée. La séparation ou la combinaison de ces images doivent s'effectuer avec un minimum de perte de la lumière de leur gamme de façon à exercer le maximum d'effet sur la matiè- re qui sert à projeter l'image ou sur laquelle elle'est projetée, telle que les émulsions photographiquement sensibles, les diapositives de projection additive, les écrans photo-électriquement sensibles des appareils émetteurs de télévision, ou les écrans sensibles aux électrons des appareils récepteurs de télévision.
Plusieurs types de dispositif s connus ont pour but de permettre d'arriver à ce résultat et parmi les plus importants on peut citer ceux qui comportent des surfaces dites de division des rayons lumineux ou des réflec= teurs transparents qui partagent un faisceau lumineux incident en un faisceau transmis et un faisceau réfléchi ou combinent les deux faisceaux élémentai- res.
Ces dispositifs peuvent comporter une ou plusieurs surfaces de di- vision des rayons lumineux. Avec une seule surface, on obtient deux faisceaux pour les dispositifs à deux couleurs, mais on peut aussi la faire fonctionner avec trois ou un plus grand nombre d'éléments de couleur, en intercalant deux ou plusieurs surfaces de réception ou d'émission des images dans l'un des faisceaux lumineux élémentaires ou dans les deux.
Les dispositifs connus de ce dernier type-comportent, dans les appareils à trois couleurs, un prisme à une seule surface de partage des rayons lumineux dirigeant un faisceau élé- mentaire vers deux fenêtres, de façon à impressionner dans une fenêtre une pellicule enregistrant le vert (v) et dans l'autre fenêtre un élément dit bipack comportant des pellicules-superposées enregistrant le bleu (b) et le rouge (r). Les dispositifs dans lesquels on fait arriver plus de deux faisceaux élémentaires comportent plusieurs surfaces de partage des rayons lumineux,
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se coupant ou adjacentes.
La lumière qui arrive sur la surface postérieure des dispositifs comportant deux surfaces superposées sensibles aux images subit par elle- même une influence de.,la part de la surface antérieure, ce qui a certains pointsde vue est un inconvénient, compensé cependant parfois par le fait qu' avec un dispositif à deux faisceaux, la longueur globale des trajets opti- ques est plus courte, ou qu'on évite des complications de construction, ce qui facilite les combinaisons comportant des objectifs de courts longueur fo- cale acceptable et diminue les pertes de lumière le long du trajet optique.
De plus, en particulier lorsqu'on applique ces dispositifs aux appareils ci- nématographiques, ils simplifient dans une certaine mesure le mécanisme d'avan- cement de la pellicule et les problèmes de l'alignement et du repérage des i- mages.
Toutefois, en raison des restrictions précitées propres aux sur- faces superposées, la vitesse efficace de la surface postérieure de l'émul- sion diminue sous l'effet de l'absorption de la lumière par les éléments dis- posés en avant de cette surface, et qui dans ce cas sont généralement des filtres de couleur, outre l'émulsion antérieure et son support.
La possibilité d'utiliser un appareil de ce type dépend de l'éner- gie lumineuse finale dont on dispose et qui n'est jamais trop abondante. Le rendement global du dispositif, c'est-à-dire le rapport entre l'énergie lumi- neuse réellement utilisée et celle qui était disponible au début dans chaque faisceau élémentaire, a donc une importance primordiale.
Il a été préconisé d'améliorer le rendement global des dispositfs diviseurs des rayons lumineux comportant des surfaces de partage transparen- tes en y introduisant des réflecteurs à couche mince semi-dichroique, qui trans- mettent la presque totalité de la lumière dans les gammes bleue et rouge dans une fenêtre contenant les émulsions d'enregistrement du bleu et du rouge et réfléchissent dans une autre fenêtre la lumière verte.
Bien qu'il soit possi- ble d'appliquer des couches donnant satisfaction sur des réflecteurs conve- nant à des dispositifs de ce type, il est assez difficile de fabriquer des réflecteurs qui transmettent la lumière verte tout en réfléchissant la pres- que totalité de la lumière bleue et rouge, dispositif particulièrement avanta- geux à employer dans les appareils du type précité comportant des matières d'enregistrement superposées dans l'une des deux fenêtres qu'ils comportent.
Les dispositifs de ce dernier type posent un problème complètement différent de celui des dispositifs qui comportent l'élément bipack dans le faisceau di- rect. Ce problème consiste à réfléchir avec un rendement élevé deux bandes spectrales fixes séparées par une troisième bande qui ne doit pas être ré- fléchie. Cette situation est différente de celle qui se présente dans les dispositifs qui ne comportent que deux émulsions d'enregistrement et dans lesquels une gamme unique, par exemple la bande rouge-orangé est réfléchie et la bande bleu-vert est transmise, ou inversement. La situation est même différente de celle qui se présente dans les dispositifs qui comportent trois émulsions d'enregistrement dans deux fenêtres et dans lesquels les pellicules d'enregistrement du rouge et du vert, ou d'enregistrement du vert et du bleu, sont superposées.
Dans le cas où l'émulsion d'enregistrement du vert est su- perposée à une autre émulsion, les deux gammes de couleurs à réfléchir sont adjacentes dans le spectre. Ces bandes adjacentes peuvent être considérées comme une seule bande de réflexion, non séparée par des gammes intermédiai- res. Avec la forme de construction qui est nécessaire pour obtenir une ré- flexion de fort rendement d'une largeur de bande donnée dans un réflecteur à bande unique, on n'obtient pas les mêmes résultats dans les réflecteurs con- venant à deux bandes séparées et en réalité cette forme de construction peut être nuisible au point de vue de la qualité qu'on désire obtenir.
Les moyens dont on dispose pour régler le rendement et la largeur de bande des réflecteurs à bande unique consistent à faire varier l'épaisseur des diverses couches de matière diélectrique et à augmenter le nombre de couches qui forment le réflec- teur. Un troisième moyen consiste à combiner les effets de deux réflecteurs
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identiques séparés par un intervalle juste suffisant pour éviter les inter- férences optiques nuisibles, au moyen d'une matière optique interposée.
Au- cun de ces moyens ni aucune de leurs combinaisons ne sont suffisants pour. obtenir un réflecteur du bleu et du rouge dont la largeur de bande et les caractéristiques de rendement sont comparables à celles des meilleurs ré- flecteurs à bande unique, si les diverses couches sont assez épaisses pour réfléchir à la fois la lumière rouge et la lumière bleue.
Un des principaux objets de l'invention consiste dans un disposi- tif diviseur des rayons lumineux dans lequel deux gammes spectrales séparées par une troisième gamme sont réfléchies avec un rendement global élevé, tan- dis que la troisième gamme est transmise, et qui permet de régler facilement et avec précision la sélection et l'équilibre des couleurs.
Un autre objet de l'invention consiste dans un dispositif particu- lièrement efficace de partage des rayons lumineux pour appareils photographi- ques, dans lequel les pellicules d'enregistrement du bleu et du rouge sont im- pressionnées par un faisceau élémentaire unique réfléchi dans un dispositif diviseur des rayons lumineux, tandis que la pellicule enregistrant le vert est impressionnée par un second faisceau transmis.
L'invention se propose en outre de réaliser un dispositif du type précité relativement peu coûteux à fabriquer, facile à essayer et à surveil- ler au cours de la fabrication et en service, et représentant d'une manière générale un progrès technique dans les dispositifs optiques dont les éléments consistent en faisceaux de lumière¯de couleur contenant plusieurs images.
Le dispositif optique suivant l'invention en vue de faire se cor- respondre des images élémentaires de différentes gammes spectrales comporte un élément de transmission de la lumière dont une surface coupe obliquement un faisceau lumineux délimité par un dispositif optique quelconque approprié, ladite surface étant recouverte de deux couches transparentes de réflexion sélective, formées chacune de plusieurs couches élémentaires d'une épaisseur égale à une fraction de longueur d'onde et constituées par des matières à fort et faible indice de réfraction alternant entre elles, le nombre, l'épaisseur et la matière des couches élémentaires étant choisis de façon que l'une des couches principale réfléchisse une première gamme spectrale et transmette une seconde et une troisième gamme,
tandis que la seconde couche principale ré- fléchit la troisième gamme et transmet la seconde.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, les résultats précités sont obtenus en combinant un élément transparent comportant au moins trois surfaces extérieures de transmission de la lumière et au moins une sur- face intérieure partageant les rayons lumineux et inclinée par rapport aux surfaces extérieures, des dispositifs d'ouverture tels que des fenêtres d'ex- position disposées à côté des surfaces extérieures et contenant une matière sensible telle que des émulsions photographiques logées dans des dispositifs de support, un réflecteur recouvert d'une couche mince se composant de plusieurs couches élémentaires dichroîquement sélectives disposées sur la surface de par- tage des rayons, ledit réflecteur transmettant deux gammes spectrales et en réfléchissant une troisième,
et un second réflecteur dichroiquement sélectif déposé sur la surface de partage des rayons et qui transmet une gamme spectra- le et réfléchit la seconde de ces deux gammes.
Suivant une troisième caractéristique, l'invention concerne un dispositif diviseur d'un faisceau lumineux en deux faisceaux élémentaires de gammes spectrales choisies impressionnant une émulsion sensible disposée dans les fenêtres respectives, ce dispositif comportant un élément transparent dont une surface est inclinée par rapport au faisceau, et deux réflecteurs dichroi- quement sélectifs déposés sur cette surface et comportant plusieurs couches diélectriques sélectivement réfléchissantes d'une épaisseur égale à une frac- tion de longueur d'onde et dont les indices de réfraction sont alternative- ment forts et faibles,
le nombre et l'épaisseur des couches du réflecteur an-
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térieur étant choisis de façon à réfléchir à peu près exclusivement la lu- mière de la gamme spectrale rouge ou bleue, tandis que ce réflecteur transmet au réflecteur postérieur la lumière des gammes spectrales respectives bleue et verte ou verte et rouge, le nombre et l'épaisseur des couches du réflec- teur postérieur étant choisis de façon à réfléchir la lumière de la gamme spectrale bleue ou rouge et à transmettre la lumière de la gamme spectrale verte.
D'autres caractéristiques de l'invention, outre celles qui pré- cèdent, ressortiront de la description des principes fondamentaux de l'in- vention et de celle de quelques formes de mise en oeuvre de l'invention, avec les dessins ci-joints à l'appui, sur lesquels : la fig. 1 représente, sous forme schématique, un dispositif de partage des rayons lumineux suivant l'invention ; la fig. 2 représente à plus grande échelle les couches superpo- sées de la fig. 1; la fig. 3 est un graphique représentant les caractéristiques de transmission et de réflexion des couches de la fig. 2; la fig. 4 est un graphique semblable à celui de la fig. 3, repré- sentant la caractéristique d'un réflecteur antérieurement connu ; la fig. 5 indique sous forme schématique, semblable à la fig. l, la manière dont fonctionnent des couches en forme de coins ;
et la fig. 6 représente de la même manière que la fig. 1 une forme de réalisation dont la couche antérieure réfléchit le rouge au lieu du bleu.
D'une manière générale, les diviseurs de rayons lumineux du type suivant l'invention, fig. 1, comportent un objectif L, un prisme cubique P dont les éléments Pl et P2 comportent des surfaces extérieures de transmis- sion de la lumière p1, p2, p3, et une région de partage D formée de surfa- ces adjacentes internes p5, p6, qui limitent deux groupes ou couches Dl, D2 formées de couches élémentaires minces, diélectriques, décrites en détail plus loin. Le rayonnement incident visible est désigné par les rayons bleu, vert et rouge, b, g et r, qui représentent les faisceaux respectifs de lu- mière de couleur.
Le rayon g est transmis et enregistre la portion verte de l'image sur une émulsion G disposée sur un support Sg, tandis que les rayons réfléchis b et r enregistrent les portions bleue et rouge des images sur les émulsions B et R déposées respectivement sur les supports Sb et Sr. Pour les raisons indiquées plus loin, on peut intercaler une plaque Q d'un quart de longueur d'onde entre l'objectif et le prisme. Dès filtres Fl et F2 peuvent être intercalés entre le prisme et les matières d'enregistrement s'il parait avantageux de modifier la largeur de bande ou l'intensité des faisceaux res- pectifs. Les couches Dl, D2 peuvent être en forme de coins dont la valeur'du gradient est déterminée par les raisons indiquées plus loin.
La fig. 2 représente la forme de construction détaillée des deux couches Dl et D2. La couche Dl réfléchit la lumière bleue, et transmet les lu- mières verte et rouge, tandis que la couche D2 réfléchit la lumière rouge et transmet les lumières bleue et verte. Le rendement de chacun de ces réflecteurs- transmetteurs peut être très élevé, étant donné qu'il n'a qu'à séparer deux gammes spectrales. Les couches Dl et D2 sont de préférence superposées direc- tement sur une des surfaces p5ou p6, ou bien elles peuvent être appliquées séparément sur les surfaces p5ou p6 des éléments respectifs Pl, P2 du prisme.
Dans les deux cas, les éléments Pl et P2 sont collés l'un sur l'autre par une colle optique appropriée A, convenant aux couches directement superposées, fig. 2. On règle les caractéristiques de réflexion de chaque couche ou groupe de couches par rapport aux caractéristiques des trajets respectifs des fais- ceaux, qui consistent dans les indices de réfraction des prismes Pl et P2 et de la colle et dans les propriétés de la matière d'enregistrement et des fil- tres, s'ils existent.
Jusqu'à présent, on a combiné deux couches identiques pour obtenir
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un dispositif réfléchissant une bande unique. Suivant l'invention, les ré- flecteurs sont différents et chaque couche est optiquement indépendante de l'autre, de sorte qu'on peut augmenter notablement le rendement de chaque bande de réflexion sans exercer d'influence appréciable sur les largeurs de bandes.
En combinant ainsi sans interférence deux couches se composant-de couches élémentaires multiples, on obtient deux bandes de réflexion sépa- rées, d'une largeur de bande appropriée, ce qu'on ne pourrait obtenir ni par un réflecteur unique à couches entremêlées de dimensions choisies de' façon à réfléchir deux longueurs d'onde respectives, par exemple dans les régions du bleu et du rouge, ni par deux réflecteurs identiques ou à peu près identiques. Suivant l'invention, les deux.réflecteurs doivent être d'une for- me de construction différente et produire chacun une bande de réflexion dif- férente .
La région de partage D de la forme de réalisation de la fig. 1, comporte deux couches de base Dl et D2 réfléchissant respectivement la lu- mière bleue et la lumière rouge et se composant chacune d'un assez grand nom- bre de couches élémentaires, de façon à obtenir une forte intensité de réfle- xion et des largeurs de bande spectrale nettement délimitées. La couche ré- fléchissant la lumière bleue d'une forme de réalisation donnant de bons ré- sultats dans la pratique comporte vingt couches élémentaires, et la couche réfléchissant la lumière rouge en comporte dix-neuf, les couches élémentaires à fort indice de réfraction étant en sulfure de zinc, et les couches à faible indice de réfraction en fluorure de plomb.
Ainsi qu'il a déjà été dit, les couches peuvent être appliquées par des procédés d'évaporation appropriés sur les faces respectives des prismes Pl et P2, ou bien la totalité des couches élémentaires des deux couches peuvent être appliquées directement les unes sur les autres sur la surface de l'hypothénuse d'un des prismes élémentaires, . par exemple P1, puis on colle la surface recouverte sur la surface.non recou- verte de l'autre prisme élémentaire tel que P2. Les données numériques des cou- ches sont indiquées sur la fig. 2 sur laquelle n désigne les indices de réfrac- tion et nt l'épaisseur optiqueo Les valeurs de nt correspondent au centre des couches au point où elles coupent l'axe Pa du dispositif (rayon g de la fig.l) à 45 , la valeur de t étant mesurée perpendiculairement à la couche.
L'épaisseur qui convient de la couche etsi on le désire, le gra- dient du coin peuvent être déterminés en faisant correspondre empiriquement les valeurs théoriques aux conditions de fonctionnement de l'appareil d'ap- plication des couches, en tenant compte, lorsqu'il s'agit de couches en forme de coins,de l'inclinaison de la surface de l'échantillon au cours de l'évapo- ration par rapport au plan qui convient à l'application d'une couche d'épais- seur constante.
Les prismes du type décrit ci-après à propos de la fig. 5 des- tinés à fournir une répartition uniforme des couleurs dans les applications photographiques, ont été obtenus en appliquant la couche réfléchissant la lu- mière bleue sur sa face prismatique qui a été inclinée pendant l'application d'un angle de 12 par rapport au plan suivant lequel on obtiendrait une épais- seur de couche constante, et en appliquant la couche.réfléchissant la lumière rouge sur la surface prismatique inclinée suivant angle de 8 .
Les conditions théoriques dans lesquelles on obtient l'uniformité à l'oeil ne sont pas néces- sairement celles qui conviennent à l'uniformité photographique du fait que, dans l'exemple en question, les gradients du coin des.couches qui réfléchis- sent les longueurs d'onde les plus longues et les plus courtes sont respecti- vement les plus petits et les plus grands. L'épaisseur optique nt de chaque couche du réflecteur D2 qui réfléchit la lumière rouge et transmet les lu- mières bleue et verte, est égale à un quart de la longueur d'onde de la lu- mière rouge,tandis que l'épaisseur optique de chaque couche du réflecteur Dl qui réfléchit la lumière bleue et transmet les lumières verte et rouge, est égale à un quart de longueur d'onde de la lumière bleue.
La longueur d'onde dans chaque cas est celle pour laquelle on désire obtenir la réflectance maxi- mum. On peut choisir d'autres multiples du quart de ces longueurs d'onde pour certaines des couches ou pour toutes les couches, s'il y a lieu de faire varier les longueurs d'onde de l'un ou l'autre des réflecteurs. L'épaisseur matériel- le 1 de chaque couche peut être obtenue par la formule suivante :
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t = #
4n cos 0 dans laquelle 0 = arc sinus 0,707 N (pour le rayon passant par l'axe) @ N étant l'indice de réfraction du verre constituant le prisme, n l'indice de réfraction de la couche en question et \ la longueur d'onde maximum de la bande de réflexion qu'on désire.
Une colle convenant au collage des deux éléments du prisme consiste consiste en méthacrylate d'isobutyle dissous dans le xylène sous forme de solution ayant la consistance du miel. On constate qu'il n'est pas indispensable d'écarter les deux couches Dl, D2 l'une de l'autre pour empê- cher les effets d'interférence indésirableso On obtient des résultats satis- faisants avec une valeur
T = (20 à 30) # = 0,0050 à 0,0075 mm.
N pour l'épaisseur de la couche de colle de la substance précitée, N étant l'in- dice de réfraction de la colle et # la longueur d'onde maximum. L'épaisseur de la couche de colle n'a pas une valeur aussi critique que lorsqu'il s'agit d'un dispositif diviseur de rayons dans lequel on obtient deux gammes de ré- flexion,par exemple les gammes rouge et bleue, avec deux réflecteurs iden- tiques. La tolérance de l'épaisseur de la couche de colle est très grande par rapport à celle des couches diélectriques.
Le partage des rayons lumineux obtenu avec un réflecteur dichroi- que double des fig. 1 et 2 est représenté sur la fig. 3 sur laquelle les pour- centages de transmission et de réflexion sont portés en fonction de la lon- gueur d'onde. Sur cette figure, la courbe dl en pointillé est la courbe ca- ractéristique du groupe de couche D2 réfléchissant la lumière rouge, tandis que la courbe d2 en tirets est la courbe correspondante du groupe de couches Dl réfléchissant la lumière bleue. La courbe dg représente la caractéristi- que spectrale de la gamme du vert transmise par le groupe de couches Dl ainsi que D2.
Les formes des bandes représentées par les courbes précitées sont beaucoup plus avantageuses que celles des dispositifs diviseurs de ray- ons lumineux connus précités réfléchissant la lumière magenta et comportant deux couches identiques. La caractéristique de ce réflecteur ordinaire est représentée sur la fig. 4 à titre de comparaison avec la fig. 3.
Les épaisseurs de couches qui conviennent doivent exister dans la direction du trajet de la lumière passant dans le dispositif de partage des rayons et par suite la formule de l'épaisseur contient le facteur cos # qui varie en fonction de l'angle entre les réflecteurs et les rayons incidents.
Pour réaliser les conditions qui conviennent à un cas particulier donné, on peut déposer chaque couche sous forme de coin à angle aigu, dont l'extrémi- té la plus mince se trouve du côté de l'objectif. Dans les applications de photographie en couleurs avec les dispositifs des fig. 1 et 2, on constate qu'en faisant correspondre la forme du coin aux rayons délimités par la pupil- le d'entrée de l'objectif, on obtient une répartition satisfaisante sur la surface d'enregistrement des lon gueurs d'onde de la lumière réfléchie. Ainsi que l'indique la fig. 5, ces rayons sont définis par la pupille ouverte E'po et la pupille décalée vers le bas E' ps.
En faisant correspondre la forme du coin à ces rayons divergents d'incidence oblique différente, on peut régler les longueurs.d'onde et les intensités aux points de réception o, p et g de façon à réaliser la compensation ou le réglage entre des limites pouvant être prévues de la répartition du champ de saturation, de la brillance et de la teinte, tout en pouvant employer sous forme interchangeable des objectifs de longueurs focales différentes.
Pour obtenir avec les réflecteurs du type précité des caractéris-
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tiques de réflexion et de transmission analogues à celle de la fig. 3,il est nécessaire que la lumière arrivant dans le dispositif de partage des rayons ne comporte pas une composante considérable de lumière polarisée dans un plan. Etant donné que certains objets polarisent la lumière qu'ils réfléchis- sent, on transforme cette lumière polarisée dans un plan en lumière-polari- sée circulairement ou elliptiquement.en posant une plaque d'un quart de longueur d'onde devant le cube de partage des rayons, telle que la plaque Q de la fig. 1.
On peut employer une plaque d'un quart de longueur d'onde di- te achromatique, telle qu'elle est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'A- mérique n 2 441 049,qui transforme la lumière polarisée dans un plan en lu- mière polarisée circulairement dans une gamme de longueur d'onde relativement large.
Si la sélectivité obtenue par les réflecteurs dichroiques Dl et D2 ne correspond pas aux caractéristiques de sensibilité des émulsions choi- sies, on peut interposer des filtres dans les fenêtres d'exposition, tels que les filtres Fl et F2 de la fig. 1.
Au lieu de réfléchir la gamme de grande longueur d'onde, telle que la gamme rouge, par la couche postérieure et la gamme de courte longueur d'onde, telle que la gamme bleue, par la première couche, on peut renverser cet ordre, ainsi qu'on peut le voir d'après la description détaillée du dis- positif de la fig. 6, qui dérive de celui de la fig. l, et sur laquelle les- mêmes éléments sont désignés par les mêmes références. Sur cette figure, la couche antérieure D3, de même composition que la couche D2 de la fig. 2, ré- fléchit la lumière rouge et transmet les lumières bleue et verte, tandis que la couche postérieure D4, semblable à la couche Dl de la fig. 2 réfléchit la lumière bleue et transmet la lumière verte.
Pour obtenir le meilleur rendement avec les couches dont la ma- tière diélectrique consiste en sulfure de zinc, on donne la préférence au dispositif de la fig. l, car le sulfure de zinc absorbe une certaine quantité de la gamme bleue. Si la couche réfléchissant la lumière bleue est disposée derrière le réflecteur rouge, comme sur la fig. 6, le faisceau bleu doit tra- verser une épaisseur beaucoup plus forte de sulfure de zinc que dans le dispo- sitif de la fig. 1 et par suite une certaine quantité de cette lumière est per- due avant que le faisceau atteigne l'émulsion B.
Il est évident que les couches dichroïques superposées suivant 1' invention peuvent être appliquées non seulement sur les dispositifs cubiques du type décrit, mais encore à n'importe quel dispositif de partage ou de com- binaison des rayons lumineux d'une forme de construction appropriée ou autre à choisir de préférence, et il doit être bien entendu en outre que le princi- pe de l'invention peut être appliqué à d'autres gammes spectrales que celles dont il est spécialement question ci-dessus.